張書迪，方巧靈，陳芳芳，龐海月，陳川，葉廷秀，張伯超，王貴弘

（廈門醫(yī)學(xué)院 天然化妝品福建省高校工程研究中心，福建廈門 361023）

石蠟是我國(guó)重要的工業(yè)原料之一，廣泛用于造紙、食品、蠟燭、包裝、冶金、電子等領(lǐng)域。石蠟主要由直鏈烷烴構(gòu)成，將原油蒸餾后的潤(rùn)滑油餾分經(jīng)過(guò)諸如冷榨、發(fā)汗、白土吸附、溶劑脫蠟、溶劑噴霧脫油、加氫精制等加工過(guò)程而得［1］。精制加工的主要作用是去除原料中的硫、氮、氧等非烴類雜質(zhì)，脫油，將不飽和烴加氫還原等［1–2］。根據(jù)加工精制程度的不同，石蠟可分為粗石蠟、半精煉石蠟和全精煉石蠟。3 種石蠟的正構(gòu)／異構(gòu)／環(huán)烷烴含量、碳分布、含油量等化學(xué)組成不同，用途各異［3–4］。由于含油量較高，粗石蠟的主要用途為制造火柴、纖維板、蓬帆布等；半精煉石蠟和全精煉石蠟更加純凈，主要用于食藥品生產(chǎn)與包裝、容器表面涂料、瓜果蔬菜保鮮、電器元件絕緣、提高橡膠抗老化性和柔韌性等，因此精煉石蠟的用途更加廣泛［5］。

據(jù)報(bào)道，市場(chǎng)上半精煉石蠟的售價(jià)要比粗石蠟高出約300 元／噸，而全精煉石蠟的價(jià)格則更高［6］。3 種石蠟均為白色固體，無(wú)法從外表對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確鑒別。一般根據(jù)石蠟化學(xué)組成成分的不同，可以使用氣相色譜法進(jìn)行分析，但該法需要將樣品進(jìn)行溶解后上機(jī)分析，較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力；根據(jù)石蠟物理微觀結(jié)構(gòu)的不同，可用X 射線衍射、光學(xué)／電子顯微鏡觀察晶體結(jié)構(gòu)的差異，但晶體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，利用上述方法不能很好地對(duì)精煉程度不同的石蠟進(jìn)行特異性鑒別［3–4］。拉曼光譜法是通過(guò)測(cè)量化學(xué)物質(zhì)對(duì)入射光的非彈性散射造成光子能量的變化程度，從而測(cè)量對(duì)應(yīng)化合物含量的一種分析方法。與上述幾種方法相比，拉曼光譜法具有快速、簡(jiǎn)便、非破壞性、原位分析性等優(yōu)良特性［7］，尤其適合分析不易進(jìn)行樣品前處理的固體樣品，因此被廣泛用于許多領(lǐng)域，如珠寶玉石中石蠟填充物的分析鑒定［8–9］、大米中石蠟摻雜物的分析鑒別［10］、水果表皮人工石蠟層的分析鑒別［11］、蜂蠟中非法石蠟添加物的分析鑒定［12］等。雖然拉曼光譜法在石蠟的檢測(cè)中已有較多應(yīng)用，但目前并沒(méi)有采用該技術(shù)分析與鑒別不同精練程度石蠟的報(bào)道。筆者采用拉曼光譜法對(duì)16 種不同精練程度的石蠟樣品進(jìn)行分析，考察不同激光波長(zhǎng)對(duì)拉曼信號(hào)的影響，并用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行建模分析，以期達(dá)到有效鑒別的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

激光共聚焦顯微拉曼光譜儀：DXR3 型，配有聚苯乙烯球標(biāo)準(zhǔn)樣品，美國(guó)賽默飛世爾公司。

石蠟樣品：共16 份，精煉程度不同，信息見表1。其中13 份作為化學(xué)計(jì)量學(xué)模型訓(xùn)練集（編號(hào)以P 開頭），3 份作為模型驗(yàn)證集（編號(hào)以T 開頭）。

表1 石蠟樣品信息

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在分析樣品前，使用聚苯乙烯球標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)儀器進(jìn)行自動(dòng)化校準(zhǔn)與調(diào)諧（包括激光聚焦位置、拉曼位移值校準(zhǔn)等）。校準(zhǔn)完畢后，從每種樣品中隨機(jī)抽取3 個(gè)顆粒放在載玻片上，然后將載玻片置于儀器檢測(cè)臺(tái)上。將視野及激光聚焦至樣品表面后，按照表2 儀器工作條件對(duì)樣品顆粒進(jìn)行分析，在每個(gè)顆粒上采集來(lái)自3 個(gè)不同點(diǎn)的拉曼譜圖，記錄并保存獲得的數(shù)據(jù)。

表2 拉曼光譜儀工作條件

1.3 數(shù)據(jù)處理

從每份樣品中各取3 個(gè)顆粒，每個(gè)顆粒選擇3個(gè)分析點(diǎn)位，因此每份樣品共得到的譜圖數(shù)量為9個(gè)。利用自行編寫的Labview 程序（實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程工作臺(tái)），分別將每份樣品的9 個(gè)譜圖進(jìn)行平均處理，然后采集處理后譜圖的峰位置與峰面積等信息，并將所有樣品峰信息整合成一個(gè)綜合數(shù)據(jù)表格，以備進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)處理。

1.4 化學(xué)計(jì)量學(xué)處理

將1.3 整理完成的數(shù)據(jù)表格導(dǎo)入SIMCA 軟件（多元變量統(tǒng)計(jì)分析軟件）中，將數(shù)據(jù)按照單位方差法（UV）進(jìn)行歸一化處理，再進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)建模分析，包括主成分分析（PCA）和偏最小二乘法判別分析（PLS）。其中，P1～P13 樣品的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集構(gòu)建模型，T1～T3 樣品的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同激光波長(zhǎng)下石蠟樣品的拉曼光譜

圖1 不同激光波長(zhǎng)下P1、P8、P13 樣品的拉曼光譜圖

分別在532 nm 和633 nm 激光照射下，16 份石蠟樣品共有31 個(gè)拉曼光譜峰被檢出，波數(shù)最小的譜峰為77 cm–1，波數(shù)最大的譜峰為2 956 cm–1。信號(hào)最強(qiáng)的譜峰為2 848 cm–1。圖1 為P1、P8 和P13 樣品分別在532 nm 和633 nm 激光照射下的拉曼光譜圖，它們分別代表全精煉石蠟、半精煉石蠟和粗石蠟。為了展示信號(hào)強(qiáng)度小的譜峰，圖1（B）和圖1（D）的信號(hào)強(qiáng)度展示范圍調(diào)為0～300 cps；另外，為了對(duì)比不同激光波長(zhǎng)的結(jié)果，圖1（A）與圖1（C）、圖1（B）和圖1（D）的信號(hào)展示范圍調(diào)為一致。不同樣品拉曼光譜的對(duì)比結(jié)果表明，全精煉石蠟、半精煉石蠟及粗石蠟在兩種波長(zhǎng)下的譜圖形狀均非常相似，無(wú)法用肉眼直接區(qū)分；而不同激光波長(zhǎng)下樣品的拉曼光譜圖表明，3 種樣品大部分拉曼譜峰在633 nm 下的強(qiáng)度比在532 nm 下的強(qiáng)度低很多，但也有個(gè)別例外，如1 061 cm–1譜峰的信號(hào)在兩種波長(zhǎng)下變化不大，這說(shuō)明不同的激光波長(zhǎng)對(duì)石蠟樣品中各種化學(xué)物質(zhì)有著不同的作用結(jié)果。因?yàn)閱渭儚暮写罅繑?shù)據(jù)的表格和譜圖上難以對(duì)各樣品的所有譜峰進(jìn)行細(xì)致的對(duì)比，所以需要進(jìn)一步用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將不同組別樣品的特征差異信號(hào)進(jìn)行提取。

2.2 不同波長(zhǎng)激光下樣品信號(hào)差異分析

為了考察不同波長(zhǎng)的激光對(duì)樣品拉曼信號(hào)的具體影響，采用化學(xué)計(jì)量學(xué)工具找出差異顯著的拉曼譜峰，并將樣品進(jìn)行歸類。首先將所有譜峰信號(hào)作為自變量（X）進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如圖2（A）所示。主成分分析是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，它可將原有的多個(gè)自變量通過(guò)數(shù)學(xué)處理降維成含有最豐富信息的2 個(gè)新變量（t1和t2），從而達(dá)到去除冗余信息、濃縮有用信息的效果，而這些新變量就是所謂的“主成分”［13］。對(duì)每個(gè)樣品的主成分值作圖，可得到如圖2（A）所示的PCA 得分圖，同一性質(zhì)的樣品點(diǎn)相互聚集的趨勢(shì)明顯，則可認(rèn)為模型可準(zhǔn)確地對(duì)樣品進(jìn)行分類。從圖中可以看出，532 nm 與633 nm的樣品點(diǎn)有較為明顯的對(duì)半分布趨勢(shì)，再次說(shuō)明激光波長(zhǎng)對(duì)石蠟拉曼光譜信號(hào)具有很明顯的差異化作用。但在中間的交界處仍存在一些互相混合的現(xiàn)象，因此將模型換成PLS 再進(jìn)行分析。PLS 是一種有監(jiān)督的學(xué)習(xí)方法，它除了將譜峰信號(hào)作為自變量外，還引入了因變量（Y）的概念，將532 nm 波長(zhǎng)下所有樣品的因變量設(shè)為“1”，633 nm 波長(zhǎng)下樣品的因變量設(shè)為“2”，在信息提取時(shí)需要同時(shí)考慮X和Y的信息最大化，因此可以將分類做得更好［14］。如圖2（B）所示，兩種波長(zhǎng)激光下的點(diǎn)互相分離、聚集較好，未出現(xiàn)圖2（A）中部分互相交融的現(xiàn)象。

圖2 13 個(gè)訓(xùn)練集樣品數(shù)據(jù)的PCA 及PLS 分析結(jié)果

為了確保模型未過(guò)擬合，對(duì)該P(yáng)LS 模型進(jìn)行響應(yīng)排序驗(yàn)證（PMT），結(jié)果如圖3（A）所示。由圖3（A）可知，Q2的最右邊的值比左邊其它值高，且回歸曲線在縱軸上的截距（–0.318）小于0，表明該模型結(jié)果優(yōu)良，未出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象［15］。在PLS 模型中，還可進(jìn)行變量投影重要性（VIP）分析，該分析對(duì)所有X的信息貢獻(xiàn)度以及其與Y的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行評(píng)估，數(shù)值越高，該變量對(duì)模型分類的貢獻(xiàn)度越大［16］。本節(jié)PLS 模型的VIP 分析結(jié)果如圖3（B）所示。由圖3（B）可知，貢獻(xiàn)最大的變量為1 417 cm–1，表明它在兩種激光作用下信號(hào)強(qiáng)度變化最大；VIP 值最小的變量為844 cm–1，表明它在兩種激光作用下信號(hào)的強(qiáng)度變化最小。

圖3 PLS 模型的響應(yīng)排序驗(yàn)證（PMT）與變量投影重要性（VIP）結(jié)果

表3 列出了VIP 的最大值（1 417、2 956、2 895 cm–1）以及最小值（845、414、364 cm–1）的峰信息各3 個(gè)，可進(jìn)一步驗(yàn)證前3 個(gè)峰在不同激光波長(zhǎng)下的信號(hào)變化較為明顯，而后3 個(gè)峰的信號(hào)變化可忽略不計(jì)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，前3 個(gè)峰分別代表—CH2的變形振動(dòng)、CH3的對(duì)稱伸縮振動(dòng)、CH2的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)，后3 個(gè)峰分別代表C—C 鍵的伸縮振動(dòng)和C—C—C 鍵的變形振動(dòng)。該結(jié)果說(shuō)明不同激光波長(zhǎng)對(duì)C—H 的振動(dòng)影響較大，對(duì)C—C 鍵的振動(dòng)影響較小。

表3 不同激光波長(zhǎng)下6 個(gè)峰的峰面積

圖4 在不同波長(zhǎng)激光下13 個(gè)訓(xùn)練集樣品按全精煉、半精煉及粗石蠟分組的PCA 及PLS 結(jié)果

2.3 用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法鑒別不同精煉程度的石蠟

為了探索化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)不同精煉程度石蠟樣品的鑒別能力，按照全精煉石蠟、半精煉石蠟和粗石蠟對(duì)所有石蠟數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，在532 nm 和633 nm 下分別進(jìn)行PCA 以及PLS 分析，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可以看出，不論是在不同波長(zhǎng)的激光作用下，還是用不同的化學(xué)計(jì)量學(xué)模型進(jìn)行分析，均無(wú)法對(duì)全精煉石蠟、半精煉石蠟和粗石蠟進(jìn)行很好地分類。尤其是半精煉石蠟和全精煉石蠟混合在一起無(wú)法區(qū)分。因此放棄區(qū)分半精煉及全精煉石蠟，將這兩種樣品統(tǒng)一合并成“精煉石蠟”一類，并重新進(jìn)行PCA 以及PLS 分析。

在532 nm 和633 nm 兩種不同波長(zhǎng)的激光作用下，分別對(duì)按照精煉石蠟、粗石蠟分組的13 個(gè)訓(xùn)練集樣品和3 個(gè)測(cè)試集樣品（T1 代表全精煉石蠟、T2代表半精煉石蠟、T3 代表粗石蠟）進(jìn)行測(cè)定，PCA及PLS 分析結(jié)果如圖5 所示。從圖5（C）和圖5（D）中可以看出，在633 nm 激光作用下，無(wú)論是PCA 模型還是PLS 模型均無(wú)法將粗石蠟從精煉石蠟中鑒別出來(lái)，它們?cè)趫D上的點(diǎn)非常接近，甚至互相混合。然而在532 nm 激光作用下即圖5（A）和圖5（B），粗石蠟和精煉石蠟在圖上的點(diǎn)有較為明顯的差別，尤其是在PLS 模型中，粗石蠟的聚集區(qū)域與精煉石蠟的聚集區(qū)域得到了很好地分離，這說(shuō)明樣品得到了很好的分類。

為了驗(yàn)證該P(yáng)LS 模型的預(yù)測(cè)能力，分別將T1、T2 以及T3 測(cè)試集樣品的譜峰數(shù)據(jù)代入已經(jīng)生成的532 nm–PLS 模型中進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖5（B）所示。由圖5（B）可以看出，T1 和T2 測(cè)試集樣品在圖上的點(diǎn)落在了精煉石蠟的聚集圈中，而T3 測(cè)試集樣品在圖上的點(diǎn)落在了粗石蠟的聚集圈中，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%，表明在532 nm 激光作用下，采用PLS 模型可以對(duì)精煉石蠟以及粗石蠟樣品進(jìn)行準(zhǔn)確的鑒別。

圖5 在不同波長(zhǎng)激光下13 個(gè)訓(xùn)練集樣品按精煉石蠟、粗石蠟分組以及3 個(gè)測(cè)試集樣品的PCA 及PLS 結(jié)果

為驗(yàn)證上述532 nm–PLS 模型的可靠性，對(duì)其進(jìn)行PMT 分析，結(jié)果見圖6。由圖6 可知，Q2最右點(diǎn)的值大于所有位于左邊點(diǎn)的值，且回歸曲線在縱坐標(biāo)上的截距小于0（–0.318），該模型未過(guò)擬合，可靠性強(qiáng)。對(duì)該模型進(jìn)行VIP 分析，結(jié)果見圖7。由圖7 可知，貢獻(xiàn)最大的變量為2 429.24 cm–1，表明它的信號(hào)強(qiáng)度變化最大；VIP 值最小的變量為227.468 cm–1，表明它的強(qiáng)度變化最小。

圖6 PLS 模型的響應(yīng)排序驗(yàn)證（PMT）結(jié)果

圖7 PLS 模型的變量投影（VIP）重要性結(jié)果

VIP 值越大，該變量對(duì)模型的貢獻(xiàn)程度越高，代表該譜峰作為區(qū)別不同精煉程度石蠟的標(biāo)志物的可能性越大。一般選擇VIP 值大于1 且置信區(qū)間（在圖中以誤差條形式給出）不超過(guò)VIP 值的變量作為合格的標(biāo)志物［16］。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，篩選出5 個(gè)標(biāo)志物，分 別 為2 429、414、873、1 062、386 cm–1，其 中414、873、1 062 cm–1分別對(duì)應(yīng)于C—C—O 的變形振動(dòng)、C—O—C 的變形振動(dòng)及C—O 的變形振動(dòng)。以上結(jié)果說(shuō)明粗石蠟與精煉石蠟的區(qū)別很大程度在于醚、酮類含氧物質(zhì)的含量或形態(tài)的不同，這與石蠟在精制加工過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)變化息息相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）獲得了石蠟樣品在不同激光波長(zhǎng)下的拉曼譜圖及其具體譜峰信號(hào)數(shù)據(jù)。

（2）用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法分析了不同激光波長(zhǎng)對(duì)石蠟樣品中化學(xué)鍵的差異化影響程度，發(fā)現(xiàn)C—H鍵對(duì)激光波長(zhǎng)的反應(yīng)最敏感，C—C 鍵最不敏感。

（3）開發(fā)了偏最小二乘分析模型，在532 nm 波長(zhǎng)激發(fā)下成功預(yù)測(cè)了精煉石蠟與粗石蠟樣品，并根據(jù)模型參數(shù)分析得出造成不同精煉石蠟差異的因素之一為醚、酮類含氧物質(zhì)的差異。